現(xiàn)代低壓電器技術 課件 6. 電氣控制線路的分析和設計基礎

現(xiàn)代低壓電器及控制上海大學機電工程與自動化學院代穎電氣控制線路的分析與設計基礎電氣控制線路的繪制原則1電氣控制分析基礎2電機典型控制線路3電氣控制設計基礎4電氣控制系統(tǒng)的保護5電氣控制線路的繪制原則3電氣控制線路定義：將接觸器、繼電器、熔斷器、按鈕、開關等低壓電器用導線按一定規(guī)則連接起來組成的電氣線路。電氣控制系統(tǒng)圖目的：表達電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理等設計意圖；方便后續(xù)電氣系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、使用和維修。電氣控制系統(tǒng)線路圖分類：電氣原理圖、電器元件布置圖、電氣安裝接線圖。電氣原理圖4目的：便于閱讀和分析控制線路的工作原理。繪制原則：簡單、層次分明、清晰。繪制形式：電器元件展開形式繪制。注意事項：電氣原理圖不按照電器元件的實際布置位置繪制，也不反映電器元件的實際大小和形狀，根據(jù)電氣控制線路工作原理繪制。布局要求：突出信息流和各功能單元間的功能關系，對圖的布置應有利于識別各種程序過程和信息流向，因果關系清楚。組成部分：(1)主電路：電氣控制線路中大電流通過的部分，包括從電源到電機之間相

連的電器元件；一般由組合開關、主熔斷器、接觸器主觸點、熱繼電

器的熱元件和電動機等組成。(2)輔助電路：控制線路中除主電路以外的電路，其流過的電流比較小和

輔助電路包括控制電路、照明電路、信號電路和保護電路。其中控制電

路是由按鈕、接觸器和繼電器的線圈及輔助觸點、熱繼電器觸點、保護

電器觸點等組成。需遵循原則：

電器元件按未通電和未受外力作用時的狀態(tài)繪制，即在沒有通電或沒有發(fā)生機械動作時的位置。例如：接觸器按線圈未通電，觸頭未動作時的狀態(tài)繪制；按鈕按未按下按鈕時觸頭的狀態(tài)繪制；熱繼電器按未發(fā)生過載動作時的狀態(tài)繪制。電氣原理圖5主電路、控制電路和輔助電路應分開繪制。主電路是設備的驅(qū)動電路，是從包含電源、電動機、接觸器主觸頭等元件的大電流的電氣線路；控制電路是由接觸器和繼電器線圈、各種電器的觸頭組成的邏輯電氣線路，實現(xiàn)控制功能；輔助電路包括信號、照明、保護等功能的電路。觸頭的繪制位置：使觸頭動作的外力方向必須是：當原理圖垂直繪制時為從左到右，即垂線左側(cè)的觸頭為常開觸頭，垂線右側(cè)的觸頭為常閉觸頭；當圖形水平放置時為從下到上，即水平線下方的觸頭為常開觸頭，水平線上方的觸頭為常閉觸頭。主電路用粗實線繪制在圖紙的左側(cè)或上方，控制電路用細實線繪制在圖紙的右側(cè)或下方。圖中自左而右或自上而下表示操作順序，并盡可能減少線條和避免線條交叉。圖中有直接電聯(lián)系的交叉導線的連接點（即導線交叉處）要用黑圓點表示。無直接電聯(lián)系的交叉導線，交叉處不能畫黑圓點。同一電氣元件的不同部分（如接觸器的主觸頭、線圈和輔助觸頭）按功能和所接電路的不同而分別繪制在不同電路中，但必須標注相同的文字符號。電氣原理圖6（a）新國標（b）舊國標圖1三相異步電動機的啟-保-?？刂凭€路電氣控制分析基礎7在看圖之前應首先了解設備的機械結(jié)構(gòu)、電氣傳動方式、對電氣控制的要求、電動機和電氣元件的大體布置情況及設備的使用操作方法，各種按鈕、開關、指示器等的作用。此外還應了解使用要求、安全注意事項等，對設備有一個全面完整的認識。識圖時，首先要看清楚圖紙說明書中的各項內(nèi)容，圖紙說明包括圖紙目錄、技術說明、元器件明細表和施工說明書等。明確設計內(nèi)容和施工要求，了解圖紙的大體情況。圖紙中標題欄也是重要的組成部分，它告訴你電氣圖的名稱及圖號等有關內(nèi)容，由此可對電氣圖的類型、性質(zhì)、作用等有明確認識，同時可大致了解電氣圖的內(nèi)容。電路原理圖是電氣圖的核心，看懂電氣原理圖才能正確接線，正確閱讀電氣原理圖是電工的基本技能。電氣原理圖的讀圖方法8電氣原理圖的讀圖方法主要有兩種：查線讀圖法（直接讀圖法或跟蹤追擊法）和邏輯代數(shù)法（間接讀圖法）。查表讀圖法這種方法首先仔細閱讀設備說明書，了解電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、電動機和電器元件的分布狀況、控制要求等內(nèi)容，然后按以下步驟閱讀分析電氣原理圖：分析主電路：從主電路入手，根據(jù)每臺電動機、電磁閥等執(zhí)行電器的控制要求分析它們的控制內(nèi)容，如起動、方向控制、調(diào)速和制動等。在分析電氣線路時，一般應先從主電路入手，從主電路看有哪些控制元件的主觸點、電阻等，然后根據(jù)其組合規(guī)律大致可以判斷電動機是否有正反轉(zhuǎn)控制、是否制動控制、是否要求調(diào)速等。分析輔助電路：根據(jù)主電路中各電動機、電磁閥等執(zhí)行電器的控制要求，逐一找出控制電路中對應的控制環(huán)節(jié)，按功能不同劃分成若干局部控制線路進行具體分析，并對信號、照明和保護、故障報警等功能進行分析。分析自鎖、互鎖、聯(lián)鎖等保護環(huán)節(jié)：為保證控制的安全性和可靠性，一般控制線路設置了一系列電氣保護和必要的電氣聯(lián)鎖，下面分別介紹控制線路的常見保護環(huán)節(jié)?？傮w檢查：經(jīng)過“化整為零”，逐步分析每一個局部電路的工作原理及各部分之間的控制關系之后，還需進一步對整個控制線路進行檢查，理解各控制環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，理解電路中每個元件所起的作用，不遺漏任何一個功能。電氣原理圖的讀圖方法9自鎖：交流接觸器通過自身的常開輔助觸頭實現(xiàn)其線圈在啟動按鈕按下松開后始終保持得電狀態(tài)稱為自鎖。接觸器的常開輔助觸頭與啟動按鈕并聯(lián)，按鈕按下后，接觸器線圈得電，常開輔助觸頭閉合，此時松開啟動按鈕，由于輔助常開觸頭的閉合而不會使接觸器失電斷開，自行鎖住，防止誤動作。如圖7-1中與啟動按鈕SB2并聯(lián)的接觸器KM的常開輔助觸頭。互鎖：就是互相“鎖住”對方，一方處于工作時，另一方就被“鎖住”不能處于工作狀態(tài)，除非處于工作狀態(tài)的一方停止工作。幾個電氣回路之間，可利用常開觸頭，控制對方的線圈回路，進行狀態(tài)保持或功能限制?；ユi目的是避免線路同時工作而造成短路。互鎖可采用電氣互鎖、機械互鎖和電氣機械聯(lián)動互鎖。電氣互鎖是將繼電器的常閉觸頭或接觸器的常閉輔助觸頭接入另一個繼電器或接觸器的線圈控制回路中，保證一個繼電器或接觸器得電動作后，另一個繼電器或接觸器線圈不能得電，通過機械連桿實現(xiàn)這一功能的稱為機械互鎖。聯(lián)鎖：幾個電器或元件之間，為保證電器或其元件按規(guī)定的次序動作而設計的連接。電氣原理圖的讀圖方法10圖2電氣控制線路中的電氣機械聯(lián)動互鎖電氣原理圖的讀圖方法11圖3車床主軸電機的聯(lián)鎖控制電氣原理圖的讀圖方法12邏輯代數(shù)法邏輯代數(shù)法是通過對電路的邏輯表達式運算來分析控制電路，這種讀圖方法優(yōu)點是個電器元件之間的聯(lián)系和制約關系可通過邏輯表達式看出，通過邏輯函數(shù)的運算，一般不會遺漏或看錯電路的功能。缺點是復雜電氣線路的邏輯表達式很繁瑣。電氣控制電路中的繼電器、接觸器、行程開關等電器的觸點都只有“通、斷”兩種狀態(tài)，電器線圈只有“得電、失電”兩個狀態(tài)，即所謂的二值邏輯（我們把具有二值邏輯的控制元件稱為開關元件），可應用邏輯代數(shù)這一數(shù)學工具來分析和設計電氣控制線路。邏輯代數(shù)中的基本邏輯關系為邏輯和、邏輯乘、邏輯非，若以“1”表示各開關元件的受激狀態(tài)（電器線圈得電，按鈕和行程開關處于受壓狀態(tài)），以“0”表示這些元件的原始狀態(tài)（電器線圈不得電、按鈕等未受壓），上述三種邏輯關系與電路狀態(tài)之間的對應關系如圖4所示。電氣原理圖的讀圖方法13圖4控制線路對應的邏輯表達式電氣原理圖的讀圖方法14

利用這些基本定律可以分析、設計、簡化電氣控制線路的設計。以某一低壓電器線圈的控制線路為例介紹具體步驟：首先寫出控制線路中各元件觸頭間相互關系的邏輯表達式（均以未受激時的狀態(tài)來表示）；通過線圈的邏輯表達式可分析判斷當發(fā)出主令控制信號時，哪些邏輯表達式輸出為“1”，哪些表達式由“1”變?yōu)椤?”，從而可進一步分析哪些電動機或電磁閥等運行狀態(tài)的改變。在控制電路的設計中，應用邏輯表達式來簡化電路也是很方便的。電氣原理圖的讀圖方法15名稱恒等式基本定律0,1法則0+A=A0A=A1+A=11A=A互補定律同一定律A+A=AAA=A反轉(zhuǎn)定律交換律A+B=B+AAB=BA結(jié)合律(A+B)+C=A+(B+C)(AB)C=A(BC)分配律A(B+C)=AB+AC(A+B)(A+C)=A+BC吸收率A+AB=AA(A+B)=A摩根定律表1邏輯關系的基本運算定律電氣原理圖的讀圖方法16圖5控制線路的邏輯關系簡化

電氣原理圖的讀圖方法17

電氣原理圖的讀圖方法18根據(jù)上述邏輯表達式畫出的控制線路如圖6所示圖6邏輯代數(shù)法設計控制線路對于簡單的系統(tǒng)設計而言，邏輯代數(shù)法設計的控制線路比較簡化、合理，但控制線路復雜時，邏輯代數(shù)法工作量大、繁瑣、容易出錯。對于復雜的控制系統(tǒng)設計，可以首先分為若干互相聯(lián)系的控制單元，用邏輯代數(shù)法設計單元控制線路，然后采用經(jīng)驗設計法組合各個控制單元，各取所長，獲得更理想經(jīng)濟的設計方案?？刂凭€路。電機典型控制線路三相異步電動機控制線路1三相異步電動機控制線路2永磁無刷直流電機調(diào)速控制線路3永磁伺服電機位置閉環(huán)控制線路4機床電氣控制線路5機器人電氣控制線路6電動車電動機的電氣控制線路7供電線路控制線路8三相異步電動機的點動控制線路20“一按就動，一松就?！钡碾娐贩Q為點動控制電路。在工業(yè)生產(chǎn)車間，我們經(jīng)常會用到通過一個按鈕的點動控制電動機的起停，比如：壓機、車床的進刀、吊車等設備，控制線路如圖7所示，電動控制線路為短時工作，不需要熱繼電器。當需要電動機M工作時，合上開關QF，按下啟動按鈕SB，交流接觸器KM線圈得電，接觸器主觸點KM閉合，主回路UVW三相交流電通過接觸器主觸點KM與電動機M接通，電動機M起動運行。松開按鈕SB，交流接觸器KM線圈失電，接觸器主觸點KM斷開，電動機M停轉(zhuǎn)。圖7三相異步電動機的點動控制線路三相異步電動機的長動控制線路21圖8三相異步電動機的長動控制線路在工業(yè)生產(chǎn)車間，我們經(jīng)常會用到通過一個起動按鈕控制電動機的運行，再通過另一個停止按鈕控制電動機的停止運行，比如：磨床、車床、砂輪機等設備，控制線路如圖8所示。閉合開關QF，按下啟動按鈕SB2，交流接觸器KM線圈得電，接觸器KM主觸點閉合，同時輔助常開觸點閉合，電動機M起動運行。松開按鈕SB2時，由于接觸器KM的輔助常卡觸點的閉合實現(xiàn)了自鎖，控制線路保持得電狀態(tài)。按下停止按鈕SB1，控制線路斷電，KM線圈斷電，KM主觸點斷開，電動機M停止工作。三相異步電動機的電動/長動控制線路22圖9三相異步電機的點動/長動控制線路圖9所示的三個控制線路均可可實現(xiàn)點動和長動控制。圖（a）通過中間繼電器KA實現(xiàn)控制線路的點動；圖（b）通過開關Q的切換實現(xiàn)點動；圖（c）通過復合按鈕SB3實現(xiàn)點動，復合按鈕一般由聯(lián)動的常開觸頭和常閉觸頭組成，當按下按鈕時，常閉觸頭斷開、常開觸頭閉合，需注意觸點競爭問題。同一電器的常開、常閉觸點同時出現(xiàn)在電路的相關部分，電器的線圈得電或失電后，電器觸點狀態(tài)的變化不是瞬間完成的，需要一定的時間，有先后之別，在吸合與斷開過程中存在一個同時的特殊過程。雖然觸點同時動作，但不是同時達到狀態(tài)，圖9（c）控制線路松開復合按鈕時如果常閉觸點先恢復，將導致線路的點動控制失敗。三相異步電動機的Y-△降壓起動控制線路23大中型異步電動機直接起動時，由于反電勢低，繞組電流大，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊影響，電網(wǎng)容量裕度不足時，容易發(fā)生跳閘，中大型異步電動機多數(shù)采用三角形的繞組接法，可以采用繞組的Y-△變換方法降壓起動，減小起動電流?？刂凭€路的電氣原理如圖10所示，閉合開關QS，按下啟動按鈕SB2，接觸器KM、KMY和時間繼電器KT的線圈得電，KM和KMY的主觸點閉合，異步電動機星接啟動，KM輔助常開觸點閉合，實現(xiàn)自鎖，KMY常閉輔助觸點斷開，實現(xiàn)KMY與KM△的互鎖。時間繼電器KT的計時時間到，KT的延時常開觸點閉合，同時延時常閉觸點斷開，接觸器KMY線圈失電，KMY主觸點斷開，同時輔助常閉觸點恢復閉合，接觸器KM△線圈得電，其主觸點閉合，電動機繞組以△接形式繼續(xù)運行，輔助常開觸點閉合實現(xiàn)自鎖，輔助常閉觸點斷開實現(xiàn)與接觸器KMY線圈線路的互鎖。按下停止按鈕SB1，電動機停轉(zhuǎn)。三相異步電動機的Y-△降壓起動控制線路24圖10三相異步電動機的Y-△降壓起動控制線路三相異步電動機的串電阻降壓起動控制線路25圖11三相異步電動機的串電阻降壓起動控制線路定子繞組串接電阻降壓啟動是指電動機啟動時，把電阻串聯(lián)在電動機定子繞組與電源之間，通過電阻的分壓作用降低定子繞組上的啟動電壓，啟動完成后，再將電阻短接，電動機在額定電壓下正常運行。串電阻降壓啟動控制線路簡單、成本低、動作可靠。如圖11所示為采用接觸器和時間繼電器控制的串電阻降壓啟動控制線路。控制線路工作原理為：閉合開關QS，按下啟動按鈕SB2，接觸器KM1和時間繼電器KT線圈得電，KM1主觸點閉合，電動機串電阻降壓啟動，KM1輔助常開觸點閉合閉合實現(xiàn)自鎖，時間繼電器KT計時時間到，KT的延時常開觸點閉合，接觸器KM2線圈得電，其主觸點閉合將電阻短接，電動機在額定電壓下運行，按下停止按鈕SB1，電動機停轉(zhuǎn)。三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路26我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要用到電機的正反轉(zhuǎn)。可通過調(diào)換三相異步電動機的任意兩相相序?qū)崿F(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，控制線路如圖12所示。閉合開關QS，按下啟動按鈕SB2，KM1線圈得電，主觸點閉合，電機正向啟動運行，KM1的輔助常開觸點閉合實現(xiàn)自鎖、輔助常閉觸點斷開，保證KM2線圈線路不得電，實現(xiàn)互鎖；按下停止按鈕SB1，電機停轉(zhuǎn)，電機反轉(zhuǎn)工作原理相同，不再贅述。圖12三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路三相異步電動機的反接制動控制線路27在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動機盡快停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)制動有兩種機械制動和電磁制動兩種方法。電磁制動是使電機在制動時產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，其特點是制動轉(zhuǎn)矩大，操作控制方便。常見電磁制動類型有能耗制動、反接制動和回饋制動。反接制動是將電動機定子繞組任意兩相對調(diào)，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相反的旋轉(zhuǎn)磁場，達到快速停機的目的。反接制動一般與速度繼電器配合，在電動機速度為零時，及時切斷電源，否則將會出現(xiàn)反向啟動。如圖13所示為定子串電阻正反轉(zhuǎn)反接制動控制線路工作原理圖，限流電阻在電機正向和反向啟、制動過程中起限流作用。電氣線路工作原理簡述如下：閉合開關QF，按下正向啟動按鈕SB2，中間繼電器KA1線圈得電，其常開觸點閉合，正向接觸器KM1線圈得電，KM1主觸點閉合，電動機正向串電阻降壓啟動，當電機轉(zhuǎn)速達到正向速度繼電器動作值時，其常開觸點KS-Z閉合，接觸器KM3線圈得電，其主觸點閉合短接限流電阻R，電動機轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速正常運行。按下停止按鈕SB1，KA1線圈失電，其常開觸點恢復斷開，KM1、KM3線圈失電，限流電阻串入定子電路，定子繞組正向三相電源斷開。KM1常閉輔助觸點恢復閉合，KM2線圈得電，其主觸點閉合，定子繞組接入反向三相電源，電動機進行串電阻反接制動，當轉(zhuǎn)速接近零時，正向速度繼電器KS-Z復位斷開，KA3和KM2線圈相繼失電，電動機制動過程結(jié)束，電動機停轉(zhuǎn)。電動機處于正傳或反轉(zhuǎn)過程中，只要按下另外一個啟動按鈕，控制線路便可自動完成反接制動和反向啟動的全過程。三相異步電動機的反接制動控制線路28圖13三相異步電動機的反接制動控制線路三相異步電動機的電磁抱閘制動控制線路29圖14三相異步電動機的電磁抱閘制動控制線路在對制動的可靠性和安全性要求較高的應用場合，常采用斷電電磁抱閘制動方法，這種制動方法不會因中途斷電或電氣故障的影響而造成事故，安全可靠，廣泛應用于電梯、起重、卷揚機等升級機械上。其控制線路如圖14所示。閉合開關QF，按下啟動按鈕SB2，KM1線圈得電，KM1主觸點和輔助觸點閉合，電磁抱閘線圈YA得電，電磁鐵吸合，產(chǎn)生的電磁力使制動器的閘瓦克服彈簧拉力與閘輪分開，同時KM2線圈得電，KM2的主觸點和輔助觸點閉合，電動機M起動運行。當需要快速停止時，按下停止按鈕SB1，交流接觸器KM1和KM2線圈失電，主觸點復位，主回路斷電，電磁抱閘線圈YA失電，制動器的閘瓦在彈簧拉力作用下抱住閘輪，使電動機M迅速制動停轉(zhuǎn)。三相異步電動機的變頻調(diào)速控制線路30變頻器是利用電力半導體器件和軟件變頻技術，通過改變電機工作電源頻率控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要采用交—直—交方式，由整流、濾波、逆變、制動、驅(qū)動、檢測、控制等單元組成，整流部分一般為三相橋式不可控整流，逆變部分為IGBT三相橋式可控逆變器，IGBT的開斷可以調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的。變頻器還有很多保護功能，如過流、過壓、過載保護等。典型變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、控制單元以及輸入輸出接口等組成，基本原理如圖15所示。圖15變頻器內(nèi)部典型原理圖三相異步電動機的變頻調(diào)速控制線路31圖16(a)三相異步電動機的變頻調(diào)速控制典型線路之一三相異步電動機的變頻調(diào)速控制線路32圖16(b)三相異步電動機的變頻調(diào)速控制典型線路之一三相異步電動機的變頻調(diào)速控制線路33圖17多臺三相異步電動機的變頻調(diào)速控制典型線路永磁無刷直流電機調(diào)速控制線路34永磁無刷直流電動機控制系統(tǒng)是一個具有傳統(tǒng)直流電動機特性的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它用控制電路的電子換向替代了傳統(tǒng)直流電機的機械換向，當電機通電后位置傳感器檢測出電機轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組的相對位置，由控制電路來決定定子繞組的邏輯換向狀態(tài)。永磁無刷直流電機調(diào)速性能好、響應快、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單，應用廣泛。直流無刷直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)框圖如圖18所示。

圖18直流無刷直流電動機系統(tǒng)框圖永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)35無刷調(diào)速控制器系統(tǒng)的硬件主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、控制單元以及輸入輸出接口等組成，由于電子換向的存在，需多配置一套位置傳感器，為節(jié)約成本，一般使用開關型霍爾，控制線路如圖19所示：圖19(a)永磁無刷直流電機調(diào)速控制線路永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)36圖19(b)永磁無刷直流電機調(diào)速控制線路永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)37圖20位置傳感器的輸入與控制器輸出電壓的邏輯換向關系永磁伺服電機位置閉環(huán)控制線路38伺服電機可對力矩、速度、位置進行精度控制，受輸入信號控制，能進行快速、精密反應，具有機電時間常數(shù)小、線性度高等特性，在自動控制系統(tǒng)中，常作執(zhí)行元件。近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器(DSP)的應用，出現(xiàn)了全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用力矩、力矩加轉(zhuǎn)速、力矩加轉(zhuǎn)速與位置全閉環(huán)的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，以滿足工作機械、搬運機構(gòu)、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等的不同需求場合。伺服控制的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成與變頻器基本一致，但位置反饋一般采用高精度的光編或旋變，實現(xiàn)更精準的控制，其典型控制線路如圖21。永磁伺服電機位置閉環(huán)控制線路39圖21永磁伺服電機位置閉環(huán)控制線路機床電氣控制線路40車床是機床的一種，主要由主軸電機、水泵、油泵、自動進退刀和照明等控制線路組成，主軸電機和自動進退刀具有正反轉(zhuǎn)功能，油泵電機在機床上電時啟動，水泵根據(jù)需要啟動，如圖22所示為C6250車床的典型控制器線路圖。圖22(a)C6250車床電氣控制線路機床電氣控制線路41合上QF開關，油泵電機M2開機運行，主軸電機M1根據(jù)需要選擇SB1和SB2正反轉(zhuǎn)運行，按下SB3時，水泵電機M3開機運行，旋轉(zhuǎn)QS按鈕，可以控制自動進退刀電機M4的運行，按下SB4開關時，可以開啟照明燈。電機M2和M3裝有熱保護裝置，當熱保護動作時，整個系統(tǒng)會斷電停止運行。圖22(b)C6250車床電氣控制線路機器人電氣控制線路42圖236軸機器人控制原理圖在現(xiàn)代化工廠生產(chǎn)中，多軸機器人能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，例如在沖壓機、搬運、碼垛、裝配上下料、分揀等應用，或是在危險、惡劣環(huán)境下代替人工作業(yè)，例如壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形，以及在原子能工業(yè)等領域的特殊應用。多軸機器人控制一般由電機、伺服控制器、運動控制卡等組成，如圖23所示為常見的6軸機器人控制原理圖，整個系統(tǒng)由6個伺服電機與控制器組成執(zhí)行元件，運動控制器通過CAN或485通訊，將點到點、直線、2D或3D圓弧，連續(xù)軌跡規(guī)劃，S型加減速，動態(tài)追蹤等指令控制傳輸至相應軸的控制器，達到控制目的。電動車電動機的電氣控制線路43電動自行車電氣控制線路電動自行車控制系統(tǒng)主要由電池、充電器、控制器、電機、調(diào)速把手、儀表等組成，系統(tǒng)原理如圖24所示，當需要開動電動自動車時，先合上開關QF，閉合鑰匙開關SB1，主電路與輔助電路工作，旋轉(zhuǎn)調(diào)速把手，控制器與電機起動運行，車子就可以行駛。當剎車時，剎車斷電開關1或2動作，剎車線拉低電壓，控制器使能停止工作，電機會斷電自由運行或進行能量回饋電池（部分控制器有此功能），當剎車停止時，電機可以繼續(xù)受控制器供電恢復運行。運行中根據(jù)路況，可以通過三檔車速開關按鈕，來控制最高的三檔車速。行車是按下巡航開關時，可以保持定速行駛，直到按下剎車巡航取消。行車左右打方向時還可以分別按下按鈕來控制左右方向燈閃爍，保障行人安全。夜間行駛時，可以旋動K1按鈕打開大燈、儀表燈和尾燈。另外，電動自行車用的電機大部分為永磁無刷電機，電機在出廠設計時，位置傳感器與繞組的相序設計有120°和60°之分，為了能讓控制器更智能更通用，控制器設計了可以通過短接自學習相位線，來自適應不同相位的電機。電動車電動機的電氣控制線路44圖24電動自行車電氣控制線路電動車電動機的電氣控制線路45低速電動車控制系統(tǒng)主要由電池、充電器、控制器、電機、制動踏板、油門踏板、檔位、儀表等組成，系統(tǒng)原理如圖25所示，當需要開動電動自動車時，先合上開關QF,主回路通過預充電電阻R給控制器電容充電（充電時間可以根據(jù)電阻R和控制器電容C的大小確定），閉合鑰匙開關SB，控制器控制線圈KM通電，主接觸器吸合，主回路通電，選擇檔位D或R，踩下油門踏板，控制器可以控制電動車前進或后退。行駛中當踩下制動踏板剎車時，制動踏板開關閉合，電機會斷電自由滑行或進行能量回饋電池（部分控制器有此功能），當剎車松開時，電機可以繼續(xù)受控制器運行。圖25低速電動車電氣控制線路供電線路控制線路46在工廠供電中，由于要求系統(tǒng)安全可靠運行，對于有條件的工廠供電采取多進線與母聯(lián)柜配合使用，當某一進線配電有故障時，可通過臨近的進線與母聯(lián)柜手動或自動切換，使故障線路的配電相關設備可以繼續(xù)恢復供電，保障生產(chǎn)繼續(xù)，而當故障線路維修后，又可通過手動或自動切換回正常的線路運行。本節(jié)舉例2個進線柜與1個母聯(lián)柜的邏輯控制，其一次圖如26所示：圖26進線柜與母聯(lián)柜一次圖供電線路控制線路47圖27(a)1#進線柜二次圖供電線路控制線路48圖27(b)1#進線柜二次圖供電線路控制線路49圖28(a)2#進線柜二次圖供電線路控制線路50圖28(b)2#進線柜二次圖供電線路控制線路51圖29(a)3#母聯(lián)柜二次圖供電線路控制線路52圖29(b)3#母聯(lián)柜二次圖電氣控制設計基礎53電氣控制系統(tǒng)的設計是在傳動形式和控制方案確定的基礎上進行的，一般步驟如下：(1)擬定電氣設計任務書(技術條件)：供電系統(tǒng)的電壓等級、頻率、容量及電流種類。有關操作方面的要求，如操作臺的布置，操作按鈕的設置和作用，測量儀表的種類、故障報警和局部照明要求等。有關電氣控制的特性，如電氣控制的基本方式，自動工作循環(huán)的組成，動作程序，限位設置，電氣保護及聯(lián)鎖條件等。有關電力拖動的基本特性，如電動機的數(shù)量和用途，各主要電動機的額定功率、負載特性、調(diào)速范圍和方法，以及對起動、反向和制動控制的要求等。生產(chǎn)機械主要電氣設備(如電動機、執(zhí)行電器和行程開關等)的布置草圖和參數(shù)。(2)確定電力傳動方案和控制方案：負載特性：確定負載性質(zhì)，機床的切削運動一般為恒功率負載，機床的進給運動一般為恒轉(zhuǎn)矩負載；電動機的種類、數(shù)量：根據(jù)負載特性、工藝及結(jié)構(gòu)確定確定電機的種類（直流電機/交流電機）、單電機驅(qū)動還是多電機驅(qū)動；調(diào)速要求：對調(diào)速范圍要求不高的可配置齒輪變速箱，對于低速大力矩驅(qū)動場合可采用液壓調(diào)速裝置，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，變頻驅(qū)動的應用越來越廣泛；起動、制動和反向要求(3)設計電氣控制線路原理圖(包括主、輔電路)；

電氣控制設計基礎54(4)選擇電氣元件，制定電氣元件或裝置易損件及備用件的明細表；(5)設計操作臺、電氣柜、電氣安裝板以及非標準電器和專用安裝零件；(6)繪制電氣裝配圖和接線圖；(7)編寫電氣原理說明書和使用說明書。電氣控制線路原理圖的正確設計是總體方案確定后的一個重要環(huán)節(jié)，是后續(xù)工藝設計、安裝圖和各種技術資料編制的依據(jù)，一般需遵循以下原則：最大限度地滿足生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)的要求。電氣控制系統(tǒng)設計的依據(jù)主要來源于生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝的要求，根據(jù)電網(wǎng)容量、電網(wǎng)電壓及頻率的波動情況及允許的沖擊電流大小等決定電機的啟動方式。盡量選擇標準的、常用的控制線路；設計方案要合理。在滿足控制要求的前提下，設計方案應力求線路簡單，為簡化電路、節(jié)能降耗、提高電器動作的可靠性、便于操作和維修、降低成本，應盡量減少電器元件數(shù)量和不必要的觸點，盡可能選用相同型號的電器元件，減少元件的備用量。常用方法舉例如下：合并同類觸頭，如圖30所示。同樣功能b圖比a圖電路上少了一對觸頭，合并觸頭時應注意觸頭容量。利用轉(zhuǎn)換觸頭，如圖31所示?？衫镁哂修D(zhuǎn)換觸頭的中間斷路器，將兩觸頭合并成一對轉(zhuǎn)換觸頭。利用半導體二極管的單向?qū)щ娦杂行p少觸頭數(shù)，如圖32所示。電氣控制設計基礎55圖30合并同類觸頭圖31利用轉(zhuǎn)換觸頭電氣設計控制基礎56圖32利用轉(zhuǎn)換觸頭電氣設計控制基礎57不必要的電器盡量不通電以節(jié)約電能，延長電器的使用壽命，如圖33所示，接觸器KM2得電后，接觸器KM1和時間繼電器KT就失去了作用，不必繼續(xù)通電，控制線路a接觸器KM1和時間繼電器KT仍處于通電狀態(tài)，控制線路b的設計更合理，接觸器KM2得電后，切斷了KM1和KT的電源，節(jié)約了電能，延長了電器的壽命。圖33減少通電電器數(shù)電氣設計控制基礎58機械設計與電氣設計應相互配合。許多生產(chǎn)機械采用機電結(jié)合控制的方式來實現(xiàn)控制要求，因此要從工藝要求、制造成本、結(jié)構(gòu)復雜性、使用維護方便等方面協(xié)調(diào)處理好機械和電氣的關系。正確連接電器的線圈。交流控制線路中電器的線圈不能串聯(lián)，因為每個線圈能夠分配到的電壓與線圈阻抗成正比，電器的動作在時間上總是有時間差的，先吸合的電器線圈電感增加，阻抗比后吸合的電器阻抗大，因此，先吸合電器的壓降怎大，會導致另一個電器的電壓達不到動作電壓，因此，需要同時動作的交流電器，電器的線圈應并聯(lián)連接。直流低壓電器的電磁線圈電阻相同可以并聯(lián)，但盡量不要并聯(lián)，特別是電感量相差較大時。正確連接電器的觸點。分布在線路不同位置的同一電器觸頭盡量接到同一極或同一相上，保證兩個觸頭電位相同，避免在電器觸頭上的引起短路。如圖34所示，圖a繼電器的常開觸頭和常閉觸頭分別接在不同相上，如果距離較近，觸頭斷開時可能會因電位不同而在兩觸頭間形成飛弧，造成電源短路，因此可改為圖b，使兩觸頭電位相同。電氣設計控制基礎59防止觸點競爭現(xiàn)象。不同低壓電器的吸力與反力特性曲線配合不同，其動作的快慢程度也就不同，相應觸頭系統(tǒng)的動作也就有先后之分，這樣就產(chǎn)生了不同電磁式電器的觸點競爭問題。觸點競爭可分為不同低壓電器觸點之間產(chǎn)生的觸點競爭和同一低壓電器不同觸點之間引發(fā)的觸點競爭。即使同一電器觸點，動作也有先后之別。當電氣狀態(tài)發(fā)生變化時，電器接點狀態(tài)的變化不是瞬間完成，而是需要一定的時間，斷開和閉合觸點有先后之別，很難同時達到狀態(tài)。圖34正確連接的電器觸頭電氣設計控制基礎60如圖35所示為一個反身關斷電路，圖a中時間繼電器KT的常閉觸頭延時斷開后，KT線圈失電，經(jīng)過ts秒的延時斷開的常閉觸頭復位閉合，同時KT的常開觸頭經(jīng)t1秒斷開。若ts>t1則電路能反身關斷；若ts<t1，KT會再次吸合，發(fā)生觸點競爭，導致反身關斷失??；圖b中電路中增加中間繼電器KA解決觸點競爭問題。圖35時間繼電器的反身關斷電路電氣設計控制基礎61要避免發(fā)生觸點競爭問題，盡量避免多個電器元件依次動作才能接通另一個電器的控制線路，如圖36所示；防止電路中因電氣元件固有特性引起配合不良后果，當電器元件動作時間可能影響控制線路的動作程序時，可采用時間繼電器配合控制，或?qū)a(chǎn)生競爭現(xiàn)象的觸點加以區(qū)分、聯(lián)鎖隔離或采用多觸點開關分離。圖36避免依次動作接通一個電器的電路電氣設計控制基礎62防止寄生電路。控制電路在正常工作或事故情況下，發(fā)生意外接通的電路稱為寄生電路。如圖37所示為一個電機正反轉(zhuǎn)控制電路，當熱繼電器FR動作時，線路（a）出現(xiàn)寄生電路，如圖中虛線所示，使正向接觸器KM1線圈不能失電釋放，失去了保護作用。在設計電氣控制線路時要避免產(chǎn)生寄生電路，嚴格按上方(左側(cè))接觸點，下方（右側(cè)）線圈接電源的原則，減少產(chǎn)生寄生回路的可能性，如圖（b）即可消除寄生電路；也可通過聯(lián)鎖或多觸點開關切斷線路之間的聯(lián)系。圖37正反轉(zhuǎn)控制線路中的寄生電路（左圖為a圖，右圖為b圖）電氣控制系統(tǒng)的保護63電氣控制線路應具有完善的保護環(huán)節(jié)，避免因誤操作、意外發(fā)生而發(fā)生不安全事故。自動控制線中常用的保護環(huán)節(jié)可分為電流型保護（短路、過電流、過載、欠電流、斷相）、電壓型保護（失壓、欠壓、過電壓）、極限保護（速度、溫度、水位、壓力、位置）等。(1)電流型保護短路保護電氣控制線路中，最常見也最危險的故障是各種短路（三相短路、兩相短路、一相接地短路、電機匝間短路等），電器元件絕緣老化、雷擊或人為的誤操作都可能導致電氣線路的短路發(fā)生，短路的危害非常大，產(chǎn)生的高溫會導致電器的絕緣損壞、破壞電源，造成電器結(jié)構(gòu)件的機械變形，甚至造成火災。常用的短路保護裝置是熔斷器和斷路器。在電機控制線路中的短路保護應避免啟動時動作。過電流保護過電流保護是區(qū)別于短路保護的一種電流型保護。電動機或電器元件超過其額定電流的運行狀態(tài)，電動機不正確的起動或大負載情況下，常引起過電流，過電流一般比短路電流小，一般不超過6倍額定電流，只要在達到最大允許溫升之前，電流值能恢復正常，還是允許的。較大的沖擊負載，將使電路產(chǎn)生很大的沖擊電流，以致?lián)p壞電氣設備，同時，過大的電流引起電路中的電動機轉(zhuǎn)矩增大也會使負載機械的旋轉(zhuǎn)部件受損，要盡快切斷電源。電動機運行中產(chǎn)生這種過電流比發(fā)生短路的可能性大，特別是在頻繁起動和正反轉(zhuǎn)、重復短時工作的電動機。通常，可采用帶過流脫扣器的低壓斷路器或過電流繼電器作為過電流保護。電氣控制系統(tǒng)的保護64過電流繼電器不同于熔斷器和低壓斷路器，過電流繼電器是一個感測元件，低壓斷路器是將感測元件和執(zhí)行元件組合在一起，熔斷器的熔體本身即是感測元件也是執(zhí)行元件。過電流保護需要過電流繼電器與執(zhí)行元件—接觸器的主觸頭配合完成。為可靠切斷過電流，接觸器的主觸頭容量應適當增大。如圖38所示為帶過電流保護功能控制線路，電動機啟動時，時間繼電器KT延時斷開的常閉觸頭還未斷開，過電流繼電器KA的過電流線圈未接入電路，保證在啟動過程中不因電流較大而使過電流繼電器動作，當啟動結(jié)束后，KT的常閉觸頭經(jīng)過延時斷開，過電流繼電器接入電路，過電流繼電器開始保護作用。圖38帶過電流保護的控制線路電氣控制系統(tǒng)的保護65圖39帶熱繼電器保護的控制線路過載保護過載是指電動機運行電流大于額定電流，但超過額定電流的倍數(shù)較小，一般在1.5倍額定電流以內(nèi)。引起電電動機過載的原因很多，例如負載的突然增加、缺相運行以及電網(wǎng)電壓降低等。電動機長期超載運行，繞組溫升將超過允許值而損壞，所以應設置過載保護環(huán)境，一般多采用熱繼電器作為保護元件。如圖39為帶熱載保護的控制線路。熱繼電器具有反時限特性，不能用于短路保護，動作后也不能馬上復位。一般使用熱繼電器作為過載保護時，還必須同時與熔斷器或低壓斷路器配合使用。線路發(fā)生短路故障時，熔斷器或低壓斷路器動作切斷故障，線路發(fā)生過載故障時，熱繼電器動作，事故處理完畢，熱繼電器可以自動或手動復位，線路重新工作。過載保護與過電流保護不同，不能采用過電流保護方法進行過載保護。電氣控制系統(tǒng)的保護66斷相保護電動機燒毀有60%是因為缺相引起的，所以電動機的斷相保護非常重要。斷相保護是依靠多相電路的一相導線中電流的消失而斷開被保護設備或依靠多相系統(tǒng)的一相或幾相失壓來防止將電源施加到被保護設備上的一種保護方式。電動機斷相保護的方法有：采用電壓繼電器、采用斷絲電壓保護、采用帶斷相保護的熱繼電器、采用專門為斷相運行而設計的斷相保護繼電器、采用欠電流繼電器等。從保護原理上看，可分為兩類：基于電壓的斷相保護：通過檢測電源電壓檢測是否存在缺相。一般這類產(chǎn)品往往兼有相序保護功能，稱為“電壓相序繼電器”。使用簡單，一臺“電壓相序繼電器”能保護多臺電動機，但只能對電源缺相進行保護，對于交流接觸器觸點的接觸不良等造成的電動機缺相不起保護作用。對于動態(tài)缺相的誤判率較高。基于電流的斷相保護：通常用電流互感器檢測電動機的三相電流，不論是電源故障還是交流接觸器觸點接觸不良，都能保護。這類產(chǎn)品又分電子式和智能型兩大類，電子式的功能較簡單，價格便宜；智能型功能完善，價格較貴。電氣控制系統(tǒng)的保護67三相電動機的一根接線松開或一相熔絲熔斷，是造成三相異步電動機燒壞的主要原因之一。當電源電壓的三相平衡性較差、工作環(huán)境惡劣或無人看管的電動機，可采用帶斷相保護的熱繼電器，尤其是三角形接法的而電動機。這是因為電動機采用星形接法時，當線路發(fā)生一相斷電時，另外兩相電流便增大很多，由于線電流等于相電流，流過電動機繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例相同，因此普通的兩相或三相熱繼電器可以對此作出保護。而電動機采用三角形接法時，發(fā)生斷相時，電動機的相電流與線電流不等，流過電動機繞組的電流和流過熱繼電器的電流增加比例不相同，而熱元件又串聯(lián)在電動機的電源進線中，按電動機的額定電流即線電流整定，整定值較大。當故障線電流達到額定電流時，在電動機繞組內(nèi)部，電流較大的一相繞組故障電流將超過額定相電流，有過熱燒毀的危險。所以三角形接法必須采用帶斷相保護的熱繼電器。電氣控制系統(tǒng)的保護68圖40